增安型無刷勵磁同步電動機旋轉勵磁系統改造

王海銘

（中國石化股份有限公司鎮海煉化分公司電氣部，浙江 寧波 315207）

一、設備概況

中國石化股份有限公司鎮海煉化分公司為國內特大型煉化企業，煉油加工能力位居國內行業企業前列。煉油生產裝置中有多套連續重整裝置，其中三套重整裝置于1996年建成，在當時屬于是國內同類裝置中生產規模最大的，兩臺加氫壓縮機組C302A、C302B為關鍵設備，配套電動機為增安型無刷勵磁同步電動機，電動機額定功率為3 500kW，屬于當時國內最大功率的同步電動機組。正常生產期間，兩臺機組必須運行其中一臺。

二、無刷勵磁系統的工作原理簡述

增安型無刷勵磁同步電動機因對其取消了碳刷和滑環，因此無需考慮電動機內部的正壓通風系統，同時勵磁系統能量的傳遞是采用非接觸式，從而大大減少了日常維護的工作量，滿足了連續運行的要求，其結構如圖1所示，其中勵磁發電動機與同步電動機同軸轉動。

圖1 增安型無刷勵磁同步電動機的結構

工作原理：當發出啟動機組的命令后，高壓斷路器即合閘，主電動機定子繞組受電后機組啟動，電動機進入異步運行升速狀態，此時旋轉整流器滅磁回路可控硅導通，將滅磁電阻連接至無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，一方面，為機組啟動提供較大的啟動轉矩，另一方面，也降低勵磁繞組的端電壓，防止過高的感應電壓擊穿投勵回路中的電子元件（此時旋轉整流回路可控硅也處于截止狀態）。當電動機達到亞同步轉速且滿足準角度投入條件時，旋轉整流器控制模塊觸發整流可控硅t1～t3，將勵磁發電動機的電樞電壓整流后，加在同步電動機的勵磁繞組上，為同步電動機提供持續的勵磁電流，同時關斷滅磁回可控硅。此時，旋轉整流器等效于三相二極管，最終將電動機順利地牽入同步狀態，并保持穩定運行。

三、機組存在問題

受當時國內在大型同步機組設計水平、材料供應、制造工藝等方面的制約，兩臺壓縮機組長周期運行狀況不夠理想，壓縮機故障比較頻繁，機組切換、維修頻次高；同時電動機本體旋轉整流部分故障率也很高。公司對電動機自1996年12月正式投入運行至2005年期間內故障情況進行了統計，共計發生重要的故障7起，其中因旋轉整流環中投勵模塊的故障有4起，因投勵可控硅的故障有3起。此類故障直接導致機組無法正常啟動或在運行中突然停機，嚴重影響生產的平穩運行。

四、問題的原因分析

原有旋轉整流環的控制原理（圖2）：交流勵磁機轉子輸出，經三相全橋整流后，再經投勵可控硅SCR3，輸出至主電動機轉子繞組，達到投勵目的。啟動回路由二極管D12、D13、可控硅SCR1、SCR2和滅磁電阻Rd組成，在電動機異步啟動的過程中，轉子感應電流正負半波分別流經二極管、可控硅和滅磁電阻。

圖2 原旋轉整流環的原理圖

經上述原理分析，發現旋轉勵磁存在以下設計缺陷。

（1）放電電阻模塊Rd只有一個開通電壓，開通電壓整定值為額定勵磁電壓值加200V時，滅磁可控硅才開通；低于整定值時，滅磁可控硅根本無法導通，不能滿足電動機啟動的要求，電動機啟動末尾有脈振現象，存在轉矩的不對稱性，牽入力矩大大減小，并且在電動機運行過程中，滅磁可控硅存在誤開通現象，雖然有滅磁電阻誤開通報警模塊，但報警模塊為光電傳輸，其可靠性較差。

（2）觸發控制模塊由電阻及二極管組成，沒有滑差檢測環節，只是通過限流電阻，提供投勵可控硅SCR3的觸發信號，以達到投勵目的。原有勵磁系統投勵過程為電動機啟動時，靜態勵磁靠人為定時投勵，只有當電動機完全進入亞同步轉速后，才能可靠投上勵磁，但電動機靠異步力矩加速至亞同步的時間受電網電壓、負載影響較大，若靜態勵磁投勵時間延時短，則會造成帶勵啟動，脈振程度加劇。靜態勵磁投勵時間延時長，捕捉不到最佳投勵時機，也容易造成投勵失敗，同時電動機啟動繞組長時間通大電流，會使繞組的絕緣老化加速。

（3）投勵可控硅SCR3的散熱器面積有限，滿負荷運行時發熱比整流二極管嚴重，易造成投勵可控硅SCR3的老化。

五、改造方案

針對上述問題，在充分論證的基礎上，選用WKLF-41型微機控制無刷同步電動機勵磁系統旋轉整流勵磁裝置，對原有勵磁系統進行全面的改造。

1.新的旋轉勵磁環的控制原理

（1）旋轉主回路電氣圖見圖3，主回路包括三相半控橋式整流電路和啟動回路。啟動回路由啟動可控硅、二極管及啟動電阻組成。該回路取消了眾多勵磁廠家采用的直流回路投勵主可控硅,解決了由于直流側電流大而引起的主可控硅過熱的電流瓶頸問題，同時還避免了由于主可控硅的損壞而導致電動機的失磁現象，并且其中任意一個功率組件損壞，都不會導致電動機立即失磁。

圖3 WKLF-41型微機控制無刷同步電動機勵磁系統旋轉整流勵磁裝置原理圖

（2）控制回路由主控模塊ZK12控制，電動機啟動后，交流勵磁機輸出為主控模塊提供工作電源。主控模塊控制三相半控橋式整流電路及啟動回路的工作狀況，在電動機異步啟動和再整步異步驅動過程中，啟動可控硅導通閥值被設定為低定值（10幾伏），使啟動電阻能可靠接入，保證轉子感應電流正負半波對稱，使電動機異步啟動和再整步過程中平穩快速。主控模塊設有滑差投勵和零壓計時投勵檢測環節，實現順極性準角投勵，消除牽入同步過程中的振蕩，減小對電動機的沖擊。投勵完成后，啟動可控硅導通閥值被設定為高定值，使啟動電阻退出回路避免長時帶電發熱，當轉子回路實現過電壓時，啟動回路重新接入電動機轉子回路，吸收過電壓，保護主橋。主控模塊設有防止電動機運行中啟動回路出現誤開通的檢測環節，通過邏輯控制使整流電路工作處于失控工況，利用其續流時刻將啟動可控硅關斷。

2.整流環元器件的參數選擇

主電動機參數：額定勵磁電流Ife=188A，額定勵磁電壓Ufe=195V；空載勵磁電流Ife=85A，空載勵磁電壓Ufe=60V；滅磁電阻Rd=6Ω，滿壓啟動感應電流Ifq=145A。

整流功率模塊電流按兩倍額定勵磁電流選擇，電壓按＞1.5×1.414×Ifq×Rd選擇；整流功率模塊型號為ZL-400A/2 300V；啟動功率模塊型號為QD-300A/1 000V；主控制模塊電壓等級要滿足空載和滿載勵磁電壓的要求；主控制模塊型號為ZK42-24V/270V。

六、實施效果

在經過充分的技術論證和細致的施工準備后，公司于2006年10月、11月分別對兩臺機組旋轉整流環進行了全面的改造，帶負荷運行均一次成功，運行至今，兩臺機組電氣部分沒有出現任何故障，機組運行可靠性大幅度提高。也正鑒于改造取得的成功經驗，公司2010年6月對甚為關鍵的加氫裂化核心機組C302C進行了類似改造，同樣取得了十分滿意的效果，同時也獲得了良好的經濟效益。據統計，改造后的機組每臺每年可節約維修費用約4萬元。

七、結束語

通過對3臺大功率增安型無刷勵磁同步機組旋轉整流環的全面改造，大大提高了機組運行的可靠性，保障了石化企業生產的連續運行，節省了大量的維修費用和人力，同時也為國內同類機組進行類似改造提供了理論依據和實際經驗。公司計劃將對內部其他同類四臺機組繼續進行改造。